本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)無線通信、傳感器及邊緣計算，面向智能建筑監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集及評估計算，尤其涉及一種激光喚醒式建筑位移監(jiān)測方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、建筑安全監(jiān)測面向目標(biāo)建筑整體及局部區(qū)域的位移、變形、損傷及老化等方面，對具有影響的相關(guān)狀態(tài)變量進行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測評估；尤其需要對建筑主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件的位移及變形，以及對相鄰構(gòu)件之間連接間隙的相對位移進行采集監(jiān)測。

2、建筑位移監(jiān)測是監(jiān)測評估各類建筑變形的基礎(chǔ)。通過對目標(biāo)區(qū)域分布式離散目標(biāo)點位移的數(shù)據(jù)采集及擬合計算，可以對建筑主體結(jié)構(gòu)的整體輪廓變形及局部變形進行監(jiān)測評估。所述目標(biāo)點為構(gòu)件表面區(qū)域有代表性的可觀測點，應(yīng)優(yōu)先被設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件上。

3、用于建筑監(jiān)測的位移傳感器可以被劃分為觀測式位移傳感器（遠點位移傳感器）和接近式近點位移傳感器；所述觀測式位移傳感器用于對被測目標(biāo)點相對于遠距離觀測點（參考點）的位移檢測；所述近點位移傳感器用于對目標(biāo)點相對于近距離物體的相對位移檢測。顯然，至少應(yīng)采用觀測式位移位移傳感器（位移監(jiān)測設(shè)備）對建筑主體結(jié)構(gòu)上的部分關(guān)鍵目標(biāo)點的位移進行監(jiān)測；在此基礎(chǔ)上可再使用近點位移傳感器對相鄰構(gòu)件之間連接間隙的相對位移進行監(jiān)測。

4、現(xiàn)有市場上觀測式位移傳感器主要基于激光、紅外、無線射頻、超聲等物理信號傳輸方式。在未設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)之前，建筑構(gòu)件表面缺乏預(yù)埋傳感器節(jié)點。現(xiàn)有觀測式位移傳感器大多以反射式檢測為主，其中激光位移傳感器是檢測精度相對較高的一種位移傳感器，包括基于時間飛行、三角回差、相移、干涉、光譜共焦等方法。通過對指定觀測方向測量觀測點到目標(biāo)點的距離，可計算反射點的位置坐標(biāo)。

5、現(xiàn)有觀測式位移傳感器技術(shù)，主要通過檢測激光（或其它光信號）的發(fā)射/反射距離而計算反射點的位置坐標(biāo)；這種反射式測距方法雖然距離檢測精度高、單次檢測便利性好及通用性強等諸多優(yōu)點；但對于建筑表面區(qū)域的分布式目標(biāo)點位移的在線追跟蹤監(jiān)測，仍存在以下技術(shù)缺陷：

6、1)目標(biāo)點位移跟蹤問題：考慮局部位移及變形，目標(biāo)構(gòu)件表面的反射點并非原來的真目標(biāo)點，難以對真目標(biāo)點進行跟蹤監(jiān)測；激光測距精度并不代表目標(biāo)點位移測量精度（即便對于激光入射方向的離面位移）。即便觀測目標(biāo)區(qū)域的剛體構(gòu)件，仍需要多向、多點距離檢測才能計算目標(biāo)點位移。

7、2)小角度方向觀測問題：由于需要測量反射光，正視角觀測方向有利于高精度測距；但若需要測量目標(biāo)點的表面切向位移（如垂直立面的側(cè)向位移及沉降位移），則須另外設(shè)置小角度觀測方向。如最常用的三角回差法激光位移傳感器測量表面切向位移時，常需要在反射點位置安裝反射鏡。

8、3)目標(biāo)表面性質(zhì)的影響：反射式測距會受到被測物體表面性質(zhì)、形狀及環(huán)境因素的影響；尤其在小角度測量切向位移時，若不安裝反射鏡可能無法測量或精度大幅度下降。雖然可以安裝反射鏡測量個別目標(biāo)點位移；但同一反射鏡只能支持特定方向的位移測量，而安裝數(shù)量較多的反射鏡陣列，不僅會失去反射式測距的便利性優(yōu)勢，還會帶來安裝維護成本及外觀環(huán)境的問題。

9、4)觀測點區(qū)域的設(shè)置問題：考慮到對觀測設(shè)備的供電及維護的便利性，觀測點區(qū)域不能太多，設(shè)置少量（如2~3個）觀測點區(qū)域就能支持對大面積、大視角的目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)的分布式目標(biāo)點的三維位移進行高精度在線監(jiān)測；但由于反射式測距需在特定觀測方向測量特定位移方向，不利于減少觀測點區(qū)域數(shù)量的設(shè)置。

10、在單點觀測式位移檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過光學(xué)圖像檢測（如主動激光掃描、被動熱紅外成像檢測設(shè)備），可快速對目標(biāo)建筑表面的分布式距離及位置坐標(biāo)進行檢測，尤其對視場區(qū)域的相對位移的測量，發(fā)現(xiàn)局部鼓脹、裂痕等表面損傷具有較好的監(jiān)測效果。但由于設(shè)備單機成本高、單點位移測量絕對精度不高、對視窗目標(biāo)點缺乏選擇性、復(fù)雜的圖像處理算法等問題，光學(xué)圖像檢測更適合于在短距離、正視角對目標(biāo)區(qū)域相對位移及損傷的監(jiān)測；而非對分布式關(guān)鍵目標(biāo)點的長期在線跟蹤監(jiān)測。

11、相比于反射式測距技術(shù)來說，對射式位移傳感器可以克服上述部分技術(shù)缺陷，但仍需解決以下問題∶1)在建筑物表面安裝傳感器節(jié)點（發(fā)射器或接收器）的低成本安裝問題；2)超低功耗問題：需采取無源節(jié)點或超低功耗有源節(jié)點（一次性超長電池續(xù)航），則可大大有利于解決安裝維護及防水問題（全非封閉結(jié)構(gòu)）；3)多個位移方向的測量計算問題：通過多向映射轉(zhuǎn)換，精確計算任意坐標(biāo)系的三維位移矢量，包括建筑表面切向位移及離面位移；4)長期跟蹤監(jiān)測的位移量程問題：當(dāng)目標(biāo)點發(fā)生較大位移導(dǎo)致位移量程不夠時，應(yīng)能夠快速調(diào)節(jié)對射方向使發(fā)射器與接收器對準(zhǔn)。

12、隨著物聯(lián)網(wǎng)無線通信、傳感器及邊緣計算等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對各類建筑對象進行在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，具有極為重要的價值。面向建筑監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括若干無線協(xié)同基站和分布式低功耗無線傳感器節(jié)點。通過在建筑物內(nèi)部（包括構(gòu)件表面、內(nèi)部及連接間隙）預(yù)埋分布式低功耗傳感器節(jié)點陣列，對目標(biāo)建筑整體及局部區(qū)域的傳感狀態(tài)變量進行實時數(shù)據(jù)采集；所述傳感狀態(tài)變量包括可觀測的結(jié)構(gòu)形態(tài)變量及對與內(nèi)部相關(guān)物理變量。

13、因此，在考慮面向建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求的背景下，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中分布式低功耗傳感器節(jié)點，如何對目標(biāo)建筑區(qū)域尤其主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件上的分布式目標(biāo)點的微小位移矢量，以低功耗傳感器采集獲得高精度位移變量，從而進行長期持續(xù)性追蹤監(jiān)測，成為亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，目標(biāo)建筑區(qū)域構(gòu)件上預(yù)埋的分布式位移傳感器對于目標(biāo)點的微小位移監(jiān)測時，如何解決低功耗與高精度的平衡問題，包括：如何使無線激光傳感器僅在激勵喚醒后的瞬態(tài)時隙采集上傳高精度的微小位移變量，使無線激光傳感器具有超低功耗；如何使激光傳感器接收及采集激光束信號、計算與激光束強度峰值對應(yīng)的激光對射偏移變量，提升位移采集計算精度；如何通過映射轉(zhuǎn)換計算獲得高精度微小位移，計算三維位移矢量，獲得對位移變量的高精度數(shù)據(jù)采集，可持續(xù)對目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種激光喚醒式建筑位移監(jiān)測方法及裝置。

3、第一方面，本發(fā)明公開了一種激光喚醒式建筑位移監(jiān)測方法，無線協(xié)同基站通過無線控制觀測點的激光發(fā)射器發(fā)射激光束后，以無線群讀方式采集預(yù)埋于目標(biāo)點的低功耗無線激光傳感器節(jié)點上傳的激光對射偏移變量，對建筑構(gòu)件表面目標(biāo)區(qū)域的目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測，具體包括以下步驟：所述激光傳感器對激光束入射信號的接收響應(yīng)達到某一閾值時，通過前置光電耦合響應(yīng)，使自身進入允許射頻接收的淺度休眠狀態(tài)；所述激光傳感器在所述淺度休眠狀態(tài)下被無線激勵喚醒，根據(jù)接收到所述協(xié)同基站發(fā)送的無線同步群讀信號啟動采集所述激光束入射信號；所述激光傳感器在同步采樣周期對所述激光束入射信號進行耦合采集，得到與激光束入射中心對應(yīng)的激光對射偏移變量；所述激光傳感器無線應(yīng)答發(fā)送所述激光對射偏移變量給所述協(xié)同基站，所述協(xié)同基站根據(jù)所述激光對射偏移變量通過映射轉(zhuǎn)換計算，對所述目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測。

4、可選地，所述激光傳感器以預(yù)埋或表面安裝方式被設(shè)置于所述目標(biāo)區(qū)域的建筑構(gòu)件上，通過在所述建筑構(gòu)件表面上的接收視窗接收所述激光束入射信號；所述激光對射偏移變量為通過光電耦合陣列在視窗響應(yīng)區(qū)域?qū)λ黾す馐肷渲行墨@得的脈沖峰值變量及對應(yīng)的坐標(biāo)位移；所述激光對射偏移變量指所述激光束入射中心的坐標(biāo)偏移量，包括所述激光束入射中心在所述視窗響應(yīng)區(qū)域的視窗偏移變量及激光對射方向的距離偏移變量。

5、可選地，所述激光束入射信號為一種電磁脈沖激勵信號，所述激光傳感器通過前置耦合單元對所述電磁脈沖激勵信號以無源耦合方式獲得所述前置光電耦合響應(yīng)。

6、可選地，所述協(xié)同基站基于對所述激光對射偏移變量的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)窗口入射角通過所述映射轉(zhuǎn)換將所述激光傳感器采集上傳的視窗位移映射轉(zhuǎn)換為入射面位移，再根據(jù)所述入射面位移映射轉(zhuǎn)換為給定坐標(biāo)系的目標(biāo)點位移。

7、可選地，所述激光傳感器在所述淺度休眠狀態(tài)時被無線激勵信號所激勵喚醒后進入低功耗待機模式，等待被無線同步信號所觸發(fā)；所述激光傳感器接收到所述協(xié)同基站發(fā)送的同步群讀信號后，啟動采集所述激光對射偏移變量。

8、可選地，所述激光傳感器對所述目標(biāo)點位移進行分期跟蹤監(jiān)測，并上傳本期及不同分期的激光對射偏移變量；在啟動新一期的定點跟蹤監(jiān)測之前，先對所述激光發(fā)射器的發(fā)射姿態(tài)方向參數(shù)進行調(diào)節(jié)對準(zhǔn)，使得經(jīng)過所述調(diào)節(jié)對準(zhǔn)后所述目標(biāo)點的本期初始坐標(biāo)對準(zhǔn)進入視窗響應(yīng)區(qū)域的初始坐標(biāo)范圍。

9、可選地，所述協(xié)同基站根據(jù)當(dāng)前接收到的所述激光傳感器采集上傳的激光對射偏移變量，通過無線控制發(fā)送糾偏參數(shù)給所述激光發(fā)射器，對所述激光發(fā)射器的發(fā)射姿態(tài)方向進行調(diào)節(jié)對準(zhǔn)；所述激光發(fā)射器基于接收到的所述糾偏參數(shù)通過反饋調(diào)節(jié)發(fā)射姿態(tài)方向參數(shù)達到對配對目標(biāo)點的調(diào)節(jié)對準(zhǔn)，使得經(jīng)過所述調(diào)節(jié)對準(zhǔn)后的本期初始坐標(biāo)對準(zhǔn)進入視窗響應(yīng)區(qū)域的初始坐標(biāo)范圍。

10、可選地，在維持激光束發(fā)射姿態(tài)方向參數(shù)不變的條件下對所述目標(biāo)點進行定點跟蹤監(jiān)測的期間，所述協(xié)同基站以所述滑動定時調(diào)節(jié)方式每次觸發(fā)使所述激光傳感器獲得無線激勵喚醒后，以無線同步群讀方式啟動采集監(jiān)測所述激光傳感器上傳的激光對射偏移變量；根據(jù)當(dāng)前一次采集得到的峰值坐標(biāo)相對于所述本期初始坐標(biāo)的偏移量，計算本期的坐標(biāo)位移。

11、可選地，當(dāng)激光束入射超出所述視窗響應(yīng)區(qū)域時，所述協(xié)同基站通過無線控制所述激光發(fā)射器調(diào)節(jié)增大激光束發(fā)射姿態(tài)方向參數(shù)的發(fā)射發(fā)散角，使得被掃描覆蓋的所述激光傳感器獲得有效激勵；當(dāng)所述協(xié)同基站通過無線控制所述激光發(fā)射器調(diào)節(jié)所述發(fā)射發(fā)散角，使得當(dāng)前采集的峰值坐標(biāo)對準(zhǔn)進入視窗響應(yīng)區(qū)域的初始坐標(biāo)范圍后，再調(diào)節(jié)縮小所述發(fā)射發(fā)散角并進行必要的姿態(tài)糾偏，以提升對所述激光對射偏移變量的光學(xué)分辨精度。

12、可選地，所述協(xié)同基站通過多點切換控制對某一目標(biāo)區(qū)域多個激光傳感器節(jié)點對應(yīng)的目標(biāo)點進行多點跟蹤監(jiān)測，分別采集得到每一個目標(biāo)點的坐標(biāo)位移，其中i∈[1,n]；所述協(xié)同基站根據(jù)位移速度推算更正第i個目標(biāo)點的本期坐標(biāo)位移：，其中δt為對全部n個目標(biāo)點累加的本期多點監(jiān)測時間，δt(i)表示本期對第i個目標(biāo)點的定點監(jiān)測時間。

13、第二方面，本發(fā)明還公開了一種激光喚醒式建筑位移監(jiān)測裝置，所述裝置包括安裝在觀測點的激光發(fā)射器和預(yù)埋于目標(biāo)點的低功耗激光傳感器；無線協(xié)同基站通過無線控制所述激光發(fā)射器發(fā)射激光束后，以無線群讀方式采集所述激光傳感器節(jié)點上傳的激光對射偏移變量，對建筑構(gòu)件表面目標(biāo)區(qū)域的目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測；所述激光傳感器由以下模塊構(gòu)成：前置響應(yīng)模塊：用于對所述激光束入射信號的接收響應(yīng)達到某一閾值時，通過前置光電耦合響應(yīng)使自身進入允許射頻接收的淺度休眠狀態(tài)；激勵喚醒模塊：用于在所述淺度休眠狀態(tài)下，根據(jù)接收到所述協(xié)同基站發(fā)送的無線同步群讀信號啟動采集所述激光束入射信號；耦合采集模塊：用于在同步采樣周期對所述激光束入射信號進行耦合采集，得到與激光束入射中心對應(yīng)的激光對射偏移變量；應(yīng)答發(fā)送模塊：用于以無線同步應(yīng)答方式發(fā)送所述激光對射偏移變量給所述協(xié)同基站，所述協(xié)同基站根據(jù)所述激光對射偏移變量通過映射轉(zhuǎn)換計算，對所述目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測。

14、可選地，所述耦合采集模塊將進入所述接收視窗的激光束入射信號轉(zhuǎn)換為所述視窗響應(yīng)區(qū)域的二維強度分布，具體由以下單元構(gòu)成：光電耦合陣列：用于將進入所述接收視窗經(jīng)光學(xué)處理的激光束入射信號轉(zhuǎn)換輸出為光電耦合信號；濾波采樣單元：對所述光電耦合信號按所述激光束入射信號的脈沖頻率進行高頻帶通濾波，輸出濾波采樣信號，剔除所述光電耦合信號中包含的對背景輻射響應(yīng)的采集信號；掃描采集單元：對所述光電耦合陣列中的耦合轉(zhuǎn)換單元進行掃描選擇，并對所述濾波采樣信號進行a/d采集，獲得與所述光電耦合陣列對應(yīng)的二維強度分布。

15、從上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可知，本發(fā)明無線協(xié)同基站通過采集激光傳感器節(jié)點上傳的激光對射偏移變量對目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測，包括：激光傳感器被激光束入射時被無線激勵喚醒，根據(jù)無線同步群讀信號采集激光束入射信號，使得激光傳感器僅在激光入射后的瞬態(tài)同步時隙工作而具有超低功耗；激光傳感器通過光電耦合陣列對激光束入射信號進行耦合采集，通過二維峰值擬合計算得到激光對射偏移變量，獲得高精度位移變量數(shù)據(jù)采集，解決定點位移追蹤觀測模式的精度及量程問題；通過映射轉(zhuǎn)換計算獲得高精度微小位移，計算三維位移矢量，獲得對目標(biāo)點位移跟蹤監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集。

16、因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過預(yù)埋于目標(biāo)點的激光傳感器對準(zhǔn)接收安裝于觀測點的激光發(fā)射器發(fā)射的激光束，激光傳感器器通過對激光束入射信號進行耦合采集，計算激光對射偏移變量，獲得高精度位移變量數(shù)據(jù)采集，解決測量量程及背景光輻射響應(yīng)的干擾問題；通過以不同觀測模式的定點跟蹤監(jiān)測及映射轉(zhuǎn)換計算，解決了多個位移方向的映射計算問題。

17、本發(fā)明安裝于目標(biāo)區(qū)域的低功耗無線激光接收器節(jié)點為可瞬態(tài)激勵喚醒的低功耗表面節(jié)點裝置，易于通過激光掃描激勵快速尋找對準(zhǔn)，可對寬范圍入射角的激光束入射進行信號采集及位移計算；并具有小體積、封閉結(jié)構(gòu)易于防水、可快速預(yù)埋安裝等優(yōu)點。激光發(fā)射器可被安裝于大角度觀測方向范圍內(nèi)任意指定的觀測點，調(diào)節(jié)對準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域一個或多個目標(biāo)點的激光傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，可大幅度提升位移定點監(jiān)測的光學(xué)觀測精度，減少觀測點區(qū)域設(shè)置數(shù)量，并可精確計算任意坐標(biāo)系的三維位移矢量。因此，將本發(fā)明非常適合于對目標(biāo)建筑構(gòu)件表面可觀測的分布式目標(biāo)點，尤其是對建筑主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件上的目標(biāo)點位移進行跟蹤監(jiān)測。